Efeitos de mudança de resolução espacial em representações topográficas e redes de drenagem derivadas de modelo digital de terreno LiDAR de alta resolução espacial

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2023
Autor(a) principal: Barros, Rafael Carneiro de Souza
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal da Paraíba
Brasil
Engenharia Civil e Ambiental
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil e Ambiental
UFPB
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/34308
Resumo: The use of digital terrain models (DTM) has great importance for environmental studies, for example, hydrological studies. In recent decades, due to technological advances, several DTM products have become free, among them, products with high spatial resolution, especially derived from LiDAR technology. The high spatial resolution presents greater detailing of the topographic characteristics, which justifies the acquisition of such models. However, working with high spatial resolution models imply on higher computational cost and require high-performance equipment, which may make the use of these models unfeasible. One of the alternatives to enable the use of this type of model is to coarsen the spatial resolution. However, this procedure causes loss of information. The objective of this work is to evaluate the effects caused by the change of spatial resolution in topographic representations and drainage networks extracted from high spatial resolution digital terrain models derived from LiDAR technology. For this, three resampling techniques were applied: mean aggregation, bilinear interpolation and nearest neighbour, to coarsen a DTM at 1-meter spatial resolution in multiple resolutions (2, 5, 10, 30 and 100 m). The origin of DTM data is the Pernambuco Tridimensional – PE3D program. The sub-basin of the Sirinhaém river basin with approximately 550 km² was taken as case study area. The evaluation of the results was carried out using eight metrics: quantification of operational cost, comparison between cross-sectional topographic profiles (PTT), relative variation of hypsometric curves, visual inspection of drainage networks, average distance between drainage networks tracings, relative variation of river length, percentage within the buffer, watershed delimitation area and computational cost quantification (processing time and space size in disk). The results indicate that there was no significant difference between the resampling techniques. On the other hand, among spatial resolution there were considerable differences, varying according to the applied metric. In the metrics that evaluated topographic representations, a minor difference was identified in the PTT for a resolution of 100 meters. The assessment of drainage networks, showed that there were displacements of confluences and a decrease in the length of rivers. There was no significance difference between the delimitation of the catchment area. Furthermore, the computational cost reduced significantly with resolution coarsening. In general, the spatial resolution of 2 meters presented the best results, being the most indicated to use in case of resample need. The others spatial resolution in order of the best performance were 10, 5, 30 and 100 meters.
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However, working with high spatial resolution models imply on higher computational cost and require high-performance equipment, which may make the use of these models unfeasible. One of the alternatives to enable the use of this type of model is to coarsen the spatial resolution. However, this procedure causes loss of information. The objective of this work is to evaluate the effects caused by the change of spatial resolution in topographic representations and drainage networks extracted from high spatial resolution digital terrain models derived from LiDAR technology. For this, three resampling techniques were applied: mean aggregation, bilinear interpolation and nearest neighbour, to coarsen a DTM at 1-meter spatial resolution in multiple resolutions (2, 5, 10, 30 and 100 m). The origin of DTM data is the Pernambuco Tridimensional – PE3D program. The sub-basin of the Sirinhaém river basin with approximately 550 km² was taken as case study area. The evaluation of the results was carried out using eight metrics: quantification of operational cost, comparison between cross-sectional topographic profiles (PTT), relative variation of hypsometric curves, visual inspection of drainage networks, average distance between drainage networks tracings, relative variation of river length, percentage within the buffer, watershed delimitation area and computational cost quantification (processing time and space size in disk). The results indicate that there was no significant difference between the resampling techniques. On the other hand, among spatial resolution there were considerable differences, varying according to the applied metric. In the metrics that evaluated topographic representations, a minor difference was identified in the PTT for a resolution of 100 meters. The assessment of drainage networks, showed that there were displacements of confluences and a decrease in the length of rivers. There was no significance difference between the delimitation of the catchment area. Furthermore, the computational cost reduced significantly with resolution coarsening. In general, the spatial resolution of 2 meters presented the best results, being the most indicated to use in case of resample need. The others spatial resolution in order of the best performance were 10, 5, 30 and 100 meters.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESA utilização de modelos digitais de terreno (MDT) é de grande importância para estudos ambientais, por exemplo, estudos hidrológicos. Nas últimas décadas, devido a avanços tecnológicos, diversos produtos MDT possuem acesso gratuitos, dentre eles, alguns produtos com alta resolução espacial, especialmente derivados de tecnologia LiDAR. A alta resolução espacial apresenta maior detalhamento das características topográficas, o que justifica a aquisição de tais modelos. Entretanto, trabalhar com modelos de alta resolução espacial provoca maior custo computacional e requer equipamentos de alto desempenho, o que por vez pode inviabilizar o uso destes modelos. Uma das alternativas para viabilizar o uso deste tipo de modelo é realizar a degradação da resolução espacial. Porém, esse procedimento provoca perda de informação. O objetivo deste trabalho é avaliar os efeitos causados pela mudança de resolução espacial em representações topográficas e redes de drenagem extraídas de modelos digitais de terreno de alta resolução espacial derivado de tecnologia LiDAR. Para isso, foram aplicadas três técnicas de reamostragem: agregação pela média, interpolação bilinear e pelo vizinho mais próximo, para degradar MDT na resolução espacial de 1 metro em múltiplas resoluções (2, 5, 10, 30 e 100 m). Os dados MDT foram provenientes do programa Pernambuco Tridimensional – PE3D. Tomou-se como área de estudo de caso a sub-bacia da bacia hidrográfica do rio Sirinhaém com aproximadamente 550 km². A avaliação dos resultados foi realizada por meio de oito métricas: quantificação de custo operacional, comparação entre perfis topográficos transversais (PTT), variação relativa de curvas hipsométricas, inspeção visual de redes de drenagem, distância média entre traçados de redes de drenagem, variação relativa de comprimento de rio, percentual dentro do buffer, área de delimitação de bacias hidrográficas e quantificação de custo computacional (tempo de processamento e espaço de armazenamento em disco). Os resultados apontam que não houve diferença significativa entre as técnicas de reamostragem para uma mesma resolução espacial. Já entre a resoluções espaciais houve diferenças consideráveis, variando conforme a métrica aplicada. Nas métricas que avaliam representações topográficas identificou-se pequena diferença nos Perfis Topográficos Transversais (PTT) para resolução de 100 metros. Em se tratando da avalição das redes de drenagem, ocorre deslocamentos de confluências e diminuição de comprimento de rios. A diferença entre delimitação de bacia hidrográfica é ínfima, inferior a 2%. E, o custo computacional reduz de forma expressiva com a degradação da resolução. No geral, a resolução espacial de 2 metros apresentou os melhores resultados, sendo a mais indicada para usar em caso de necessidade de degradação de resolução espacial. Em relação as redes de drenagem, para as demais resoluções espaciais em ordem de melhor desempenho foram 10, 5, 30 e 100 metros.Universidade Federal da ParaíbaBrasilEngenharia Civil e AmbientalPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Civil e AmbientalUFPBPaz, Adriano Rolim dahttp://lattes.cnpq.br/2069883404215099Barros, Rafael Carneiro de Souza2025-04-23T10:48:37Z2023-05-182025-04-23T10:48:37Z2023-03-28info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttps://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/34308porAttribution-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFPBinstname:Universidade Federal da Paraíba (UFPB)instacron:UFPB2025-04-24T06:10:37Zoai:repositorio.ufpb.br:123456789/34308Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufpb.br/oai/requestdiretoria@ufpb.br||bdtd@biblioteca.ufpb.bropendoar:25462025-04-24T06:10:37Repositório Institucional da UFPB - Universidade Federal da Paraíba (UFPB)false
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